TD-LTE系統(tǒng)中基于碼本的快速波束賦形算法*

曾召華，邵 健

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安 7100540)

TD-LTE作為我國自主提出的3G系統(tǒng)(TD-SCDMA)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)技術(shù)，具有以下特征：(1)提高了通信速率和頻譜效率；(2)QoS(Quality of Service)保證，擴(kuò)展業(yè)務(wù)的提供能力，以更低的成本、更佳的用戶體驗(yàn)提供更多的業(yè)務(wù)；(3)系統(tǒng)帶寬配置更靈活；(4)明確提出系統(tǒng)在支持高速移動(dòng)的基礎(chǔ)上，需要考慮為低速用戶提供優(yōu)化條件，同時(shí)改善小區(qū)邊緣用戶的吞吐量[1]。

多天線技術(shù)作為LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠給系統(tǒng)帶來有效的分集增益和陣列增益[2-3]。波束賦形是一種基于天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，其工作原理是利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生具有一定方向性的輻射圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶，從而提高信噪比，獲得明顯的陣列增益。波束賦形的目的是擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量及抑制干擾。目前，3GPPR10版本協(xié)議定義了9種發(fā)射模式，其中模式 7、8和 9是波束賦形[4-5]。

TDD系統(tǒng)具有上下行信道互異性,參考文獻(xiàn)[6-8]研究了基于上行參數(shù)的波束賦形方法，通過對(duì)用戶空間相關(guān)矩陣進(jìn)行特征分解，以找到最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為權(quán)矢量，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形。但該類算法運(yùn)算中涉及復(fù)雜的矩陣分解求逆等運(yùn)算。參考文獻(xiàn)[9]研究了基于對(duì)角加載奇異值分解的波束形成算法，在一定程度上降低了波束賦形復(fù)雜度，但其計(jì)算量仍然較大。由于無線信道環(huán)境往往變化迅速，因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下行波束賦形不僅要考慮賦形效果，而且還要考慮賦形的處理速度。怎樣有效高效地產(chǎn)生波束賦形權(quán)值來匹配信道的變化，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，成為衡量波束賦形算法的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)模型

端口5是LTE協(xié)議中定義用來支持單流波束賦形，單個(gè)端口的數(shù)據(jù)可以加權(quán)映射到多個(gè)物理天線上傳輸[9]?；景l(fā)送端從上行探測(cè)導(dǎo)頻(Sounding)估計(jì)出信道信息，然后根據(jù)用戶信道信息計(jì)算出對(duì)應(yīng)的波束賦形權(quán)值矩陣?；驹诎l(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)先加權(quán)再發(fā)送，形成窄的發(fā)射波束，將能量對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶，TD-LTE系統(tǒng)8天線波束賦形處理流程如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)8天線單流波束賦形處理流程

基站側(cè)發(fā)射信號(hào)為s，則UE的接收信號(hào)矢量為:

其中，H為下行MIMO信道，W為波束賦形的信號(hào)加權(quán)矩陣，n為加性高斯白噪聲。

根據(jù)接收功率最大化原則,對(duì)于單流波束賦形，可得到最優(yōu)化的加權(quán)向量矩陣為:

其中，Wo為WHHHHW使最大化的W。

2 基于SVD分解的波束賦形基本原理

用戶空間相關(guān)矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，也即為信道矩陣最大奇異值對(duì)應(yīng)的奇異向量。因此最佳權(quán)向量可以通過對(duì)信道矩陣奇異值分解(SVD)來實(shí)現(xiàn)。

其中SVD分解操作如下：假設(shè)發(fā)送天線的數(shù)目為M，接收天線的數(shù)目為N，則空間矩陣H的維數(shù)為N×M，空間信道矩陣H的SVD分解為：

其中，U=[u1,u2,…,uM]是 N×N維的左奇異矩陣，V=[v1,v2,…,vM]是M×M維的右奇異矩陣，Σ是N×M維的對(duì)角陣，對(duì)角元素 σ1≥σ2≥…≥σn為奇異值，n是 M、N中的最小值。采用右奇異列向量作為波束賦形加權(quán)矢量。U和V都是酉矩陣，通常采用酉矩陣V作為波束賦形權(quán)值，且為最優(yōu)。

3 基于碼本的波束賦形算法

3.1 TD-LTE 8天線碼本設(shè)計(jì)

其中，φk=ej2πk/16,k=0,1,…,15

i=0,1,…,15，j=0,1,…,15，碼本選擇一共有 16×16×16=4 096個(gè)。

3.2 TD-LTE 8天線碼本搜索方法

對(duì)波束賦形權(quán)值碼本進(jìn)行搜索，當(dāng)權(quán)值顆粒度m=1 RB，為了簡化搜索空間，本文采用在 i、j、k 的 3×16 個(gè)碼本中搜索:

搜索16次，得到 I1；其中,index1是 port0對(duì)應(yīng)的 4天線；

搜索16次，得到 J1；其中,index2是 port1對(duì)應(yīng)的 4天線；

搜索 16次，得到 K1；此時(shí)，獲得權(quán)值 PMI序號(hào) PMI1(I1,J1,K1)；

當(dāng)權(quán)值顆粒度m＞1 RB，搜索時(shí)使用的信道估計(jì)取平 均 值計(jì) 算 如 式(11)。

權(quán)值碼本搜索過程同上，這里不再重復(fù)。其中，H(1)為每RB上的信道估計(jì)值。

4 系統(tǒng)級(jí)仿真

本節(jié)中的相關(guān)仿真參數(shù)按照3GPP LTE協(xié)議進(jìn)行配置。

4.1 仿真條件

TD-LTE系統(tǒng)單流波束賦形仿真參數(shù)如表1所示。

表1 TD-LTE系統(tǒng)單流波束賦形仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及分析

在仿真過程中，各種 PMI碼本組成如下：PMI32(極化內(nèi) 8個(gè)值，極化間 4個(gè)值)，PMI64(極化內(nèi) 16個(gè)值，極化間 4個(gè)值)，PMI128(極化內(nèi) 32個(gè)值，極化間 4個(gè) 值),PMI256(極化內(nèi) 16個(gè)值，極化間 16個(gè)值)，PMI512(極化內(nèi)32個(gè)值，極化間 16個(gè)值)PMI1024(極化內(nèi) 256個(gè)值，極化間 4個(gè)值)PMI4096(極化內(nèi) 256個(gè)值，極化間 16個(gè)值)。由于PMI量化后的碼本是恒模的，因此，SVD分解得到權(quán)值也采用恒模計(jì)算，仿真選取MCS5和MCS16兩種條件并進(jìn)行了對(duì)比，如圖2、圖3所示。

仿真結(jié)果分析：兩圖給出了基于SVD分解算法和基于碼本搜索算法的性能對(duì)比曲線。傳統(tǒng)基于SVD分解的算法能夠較好地匹配用戶信道，因此其性能最優(yōu)。從圖中可以看到 PMI的量化誤差在 0.5～1 dB左右，相對(duì)于SVD算法，基于碼本搜索的算法性能增益有所損失，但損失不大，能夠保證波束賦形效果。而且，基于碼本搜索的算法在復(fù)雜度上有一定優(yōu)勢(shì)。另外，隨著碼本數(shù)的增加，基于碼本搜索的算法性能呈增長趨勢(shì)。

本文基于預(yù)編碼思想，提出了一種基于碼本的波束賦形方法。通過設(shè)計(jì)一種適用于TD-LTE系統(tǒng)的8天線波束賦形權(quán)值碼本，并對(duì)碼本進(jìn)行搜索，在波束賦形過程中無需復(fù)雜的矩陣分解運(yùn)算，大大減少單流波束賦形的計(jì)算量，更易于軟硬件實(shí)現(xiàn)。再者，基于碼本的波速賦形能夠減小LTE子系統(tǒng)間的反饋，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度。因此，其在未來無線系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 MCS5條件下兩種波束賦形性能對(duì)比

圖3 MCS16條件下兩種波束賦形性能對(duì)比

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